ĐÁP ÁN MÔN HỌC VẬT LIỆU CƠ KHÍ VÒNG 1

Trả lời Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép cùng tích Từ giản đồ trạng thái Fe-C thấy rằng chuyển biến P thành γ xảy ra ở 7270C, nhưng điều này chỉ đúng với khi nung nóng

ĐÁP ÁN MÔN HỌC VẬT LIỆU CƠ KHÍ VÒNG 1 (ĐỀ 1+2)

ĐỀ 1 Câu 1 (4 điểm)

Phân tích chuyển biến Peclit thành Austenit khi nung nóng?

Trả lời

Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép cùng tích

Từ giản đồ trạng thái Fe-C thấy rằng chuyển

biến P thành γ xảy ra ở 7270C, nhưng điều này

chỉ đúng với khi nung nóng bằng tốc độ vô cùng

bé Với tốc độ nung nóng thực tế, nhiệt độ tại đó

xảy ra chuyển biến này luôn luôn cao hơn 7270C,

tốc độ nung càng lớn, nhiệt độ xảy ra chuyển

biến càng cao và chuyển biến thực tế xảy ra trong

một khoảng nhiệt độ Điều này được thể hiện trên

giản đồ chuyển biến p thành γ

(1): Đường bắt đầu quá trình chuyến biến P → γ

(2): Đường kết thúc quá trình chuyển biến P → γ

Sử dụng 2 trục tra toạ độ là thời gian và nhiệt độ,

ta có thể đặt ở trên đó các đường biểu diễn tốc độ

nung nóng để xét ảnh hưởng của tốc độ nung đến

nhiệt độ chuyển biến Nếu nung nóng với tốc độ

v1 thì thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình

chuyển biến là a1, b1 còn nếu nung nóng với tốc

độ v2 lớn hơn v1 đó là điểm a2, b2 Do đó ta

thấy rằng tốc độ nung nóng càng cao, chuyển

biến P → γ xảy ra ở nhiệt độ càng cao và với

thời gian càng ngắn

ý nghĩa của việc xảy ra dừng đường cong

động học chuyển biến P → γ:

- Tính được nhiệt độ bắt đầu và kết thúc chuyển biến P → γ với các tốc độ nung khác nhau Từ đó định ra công nghệ nhiệt luyện

- Xác định mức độ ổn định của các pha phụ thuộc vào thông số công nghệ

Đường cong động học chuyển biến khi nung nóng thép và sau cùng tích

- Thép trước cùng tích: Đối với thép trước cùng tích tổ chức bao gồm P + F Nên để có chuyển biến hoàn toàn thành cần nung thép vượt quá nhiệt độ Ac3. Khi đó đường cong động học có dạng như sau:

(1): Đường cong bắt đầu quá trình chuyển biến P → γ

(2): Đường cong kết thúc quá trình chuyển biến P → γ

(3) Đường cong bắt đầu hoà tan F → γ

(4): Đường kết thúc hoà tan F → γ

- Thép sau cùng tích: Đối với thép sau cùng tích tổ chức bao gồm P + XeII Nên

để có chuyển biến hoàn toàn thành γ cần nung thép tới nhiệt độ lớn hơn nhiệt độ Accm Khi đó đường cong động học có dạng như sau:

(1): Đường cong bắt đầu quá trình chuyển biến P → γ

(2): Đường cong kết thúc quá trình chuyển biến P → γ

(3) Đường cong bắt đầu hoà tan XeII → γ

(4): Đường kết thúc hoà tan XeII → γ

Cơ chế hình thành γ khi nung

Quá trình nung nóng thép cùng tích là quá trình chuyển hoá

P[F0,02 + Xe6,67] → γ0,8

Quá trình này chỉ xảy ra khi có sự ba đông về năng lượng mà ba đông về thành phần hoá học là nguyên nhân chủ yếu để tạo ra ba đông năng lượng Quá trình ba đông đó tạo ra những vùng có thành phần cacbon gần bằng 0,8% ở ranh giới giữa

Xe và F luôn có hàm lượng cacbon cao nhất nên thuận lợi cho quá trình tạo mầm

Do vậy, mầm γ đầu tiên sẽ xuất hiện trên ranh giới 2 pha F và Xe Các mầm γ phát triển, thực hiện quá trình chuyển biến P → γ

Độ hạt của và biểu diễn độ hạt trên giản đồ trạng thái

Khi nung nóng đến nhiệt độ AC1 trong thép xảy ra chuyển biến P → γ Chuyển biến này cũng có cơ chế như quá trình kết tinh Tạo mầm và phát triển mầm Các mầm γ được tạo ra trên bề mặt phân chia giữa 2 pha Fγ và Xe Như vậy, biên giới giữa 2 pha F và Xe trong P rất nhiều nên nảy sinh nhiều mầm γ và khi kết thúc chuyển biến bao giờ cũng có γ nhỏ min Chuyển biến P → γ bao giờ cũng làm nhỏ hạt Sau khi thu được γ nhỏ mịn ở nhiệt độ AC1, nếu tiếp tục nâng cao nhiệt

độ, hạt γ sẽ tiếp tục phát triển nhờ quá trình sát nhập các hạt với nhau Sự phát triển các hạt γ phụ thuộc vào nhiệt độ nung và thời gian giữ nhiệt Nhiệt độ nung càng cao, thời gian giữ nhiệt càng dài thì hạt γ càng lớn

Câu 2 (4điểm)

Trình bày khái niệm, phân loại, ký hiệu và công dụng thép Cacbon?

Trả lời

a Khái niệm

Thép các bon là hợp kim của sắt và cácbon với hàm lượng các bon nhỏ hơn 2,14% Ngoài ra trong thép luôn chứa một lượng nhỏ các nguyên tố Mn, Si, P, S Với bất kỳ loại thép các bon nào ngoài sắt ra cũng có chứa C ≤ 2,14%; Mn≤ 0,80%;

Si ≤ 0,40%; P và S ≤ 0,05% Thép các bon được sử dụng rất rộng rãi trong cơ khí (tỷ

lệ 60 ÷ 70%) và các ngành công nghiệp khác

Ngoài các nguyên tố trên trong thép các bon còn chứa một lượng khí rất nhỏ hình thành trong quá trình nấu luyện như : ôxy, hydrô, nitơ Nhưng do số

lượng của chúng quá ít, ảnh hưởng không đáng kể đến tính chất nên ta thường

không quan tâm đến

b Phân loại thép cacbon

Có nhiều cách phân loại thép các bon, mỗi phương pháp có một đặc trưng riêng biệt cần quan tâm đến để sử dụng được hiệu quả hơn

*) Phân loại theo phương pháp luyện và độ sạch tạp chất:

+ Theo phương pháp luyện:

- Thép mác tanh (ngày nay không dùng phương pháp này nữa)

- Thép lò chuyển (lò L -D, còn gọi là lò thổi)

- Thép lò điện

+ Theo độ sạch tạp chất:

-Thép chất lượng thường: lượng P và S khá cao đến 0,05% được nấu luyện trong lò

L -D có năng suất cao, giá thành rẻ Các nhóm thép này chủ yếu dùng trong xây dựng

- Thép chất lượng tốt: có lượng P và S thấp hơn đến 0,040% được luyện trong lò điện hồ quang Chúng được sử dụng trong chế tạo máy thông dụng

- Thép chất lượng cao: có lượng P và S đạt 0,030% được luyện trong lò điện hồ quang và có thêm các chất khử mạnh, nguyên liệu được tuyển chọn kỹ lưỡng

- Thép chất lượng rất cao: lượng P và S được khử đến mức độ thấp nhất 0,020% sau khi luyện bằng lò hồ quang chúng được tiếp tụ c khử tiếp tạp chất ở ngoài lò bằng xỉ tổng hợp hay bằng điện xỉ Để hạn chế lượng khí trong thép phải dùng phương pháp rót trong chân không Thép chhất lượng cao và rất cao dùng chế tạo các thiết bị và máy móc quan trọng

*) Phân loại theo phương pháp khử ô xy

Theo mức độ khử ô xy triệt để hay không triệt để ta chia thép ra hai loại là thép sôi

và thép lắng (lặng)

+ Thép sôi: là loại thép được khử ô xy bằng chất khử yếu: phe rô mangan nên ô xy

không được khử triệt để, trong thép lỏng vẫn cò n FeO khi rót khuôn có phản ứng: FeO + C → Fe + CO

Khí Co bay lên làm bề mặt thép lỏng chuyển động giống như hiện tượng sôi Vật đúc thép sôi có mật độ thấp và chứa nhiều rỗ khí và lõm co nhỏ Thép này có độ dẻo cao và rất mềm, dập nguội tốt

+Thép lắng (lặng): là loại thép được khử ô xy triệt để, ngoài phe rô mangan còn

dùng phe rô silic và nhôm nên không còn FeO nữa, do vậy bề mặt thép lỏng phẳng lặng Thép lắng có độ cứng khá cao, khó dập nguội

*) Phân loại theo công dụng: Dựa theo mục đích sử dụng thép cácbon được chia làm hai nhóm: thép kết cấu và thép dụng cụ

+Thép kết cấu: là loại thép dùng làm các kết cấu và chi tiết máy chịu tải cần có độ

bền, độ dẻo và độ dai bảo đảm Nhóm thép này được sử dụng nhiều nhất vì chủng loại sản phẩm của nó rất lớn Đây là nhóm thép chất lượng tốt và cao

+Thép dụng cụ: là loại thép làm các dụng cụ gia công và biến dạng kim loại(dụng

cụ cắt, khuôn dập, khuôn kéo ), giữ vai trò rất quan trọng để gia công các chi tiết

và kết cấu máy Số lượng thép dụng cụ không lớn vì chủng loại sản phẩm của chúng ít

d Ký hiệu thép cacbon

*) Thép các bon chất lượng thường (thép các bon thông dụng):

Theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 1765 - 75 nhóm thép các bon chất lượng thường được ký hiệu bằng chữ CT (C - các bon, T - thép chất lượng thường)

Nếu cuối mác thép không ghi gì cả là thép lắng (lặng), nếu có s là thép sôi, n là thép nửa lặng Chúng được chia làm ba phân nhóm:

+ Phân nhóm A: là loại thép chỉ được quy định về cơ tính mà không quy định về

thành phần hóa học Giới hạn bền kéo tối thiểu tính theo đơn vị kG/mm2 (với MPa phải nhân thêm 10), có thể tra bảng để tìm các chỉ tiêu σ0,2, , δ, ψ và α aK

Gồm các mác CT31, 33, 34, 38, 42, 51, 61

+ Phân nhóm B: là loại thép chỉ được quy định về thành phần hoá học mà không

quy định về cơ tính (thành phần tìm thấy khi tra bảng) Ký hiệu của phân nhóm này tương tự phân nhóm A, chỉ khác là thêm chữ B ở đầu mác Ví dụ BCT31,

BCT33 BCT61

+ Phân nhóm C: gồm các thép được quy cả về cơ tính và thành phần hoá học.

Ký hiệu của chúng tương tự phân nhóm A, chỉ khác là thêm chữ C ở đầu mác

Ví dụ CCT31, CCT33 CCT61 Để tìm các chỉ tiêu của thép phân nhóm này ta phải dựa vào hai phân nhóm trên Chẳng hạn với mác thép CCT38, khi tìm thành phần hoá học ta tra bảng theo mác BCT38, cơ tính theo mác CT38

Thép chuyên dùng trong xây dựng được quy định theo TCVN 5709 -93

*) Thép kết cấu:

Theo TCVN 1766-75 quy định ký hiệu bằng chữ C và các chữ số tiếp theo chỉ lượng các bon trung bình trong thép tính theo phần vạn Ví dụ: C05, C10, C15 C65 Nếu cuối mác thép có chữ A là loại chất lượng cao hơn (P, S ≤ 0,030%)

* ) Thép dụng cụ:

Theo TCVN 1822-75 quy định ký hiệu bằng chữ CD (C-các bon, D-dụng cụ) và các chữ số tiếp theo chỉ lượng các bon trung bình trong thép theo phần vạn Nếu cuối mác thép có thêm chữ A có nghĩa là chất lượng cao hơn

Ví dụ: CD70, CD80 CD130 (CD70A, CD80A CD130A)

Câu 3 (2 điểm)

Trình bày các phương hướng nâng cao độ bền của vật liệu?

Trả lời

ĐỀ 2 Câu 1 (4 điểm)

Phân tích cấu tạo và các tổ chức trên giản đồ trạng thá Fe-C?

Trả lời

Cấu tạo :

Theo lý thuyết, giản đồ trạng thái Fe - C phải được xây dựng từ 100% Fe đến 100%C song do không dùng các hợp kim Fe - C với lượng các bon nhiều hơn 5% nên ta chỉ xây dựng giản đồ đến 6,67% các bon tức là ứng với hợp chất hóa học

Fe3C Trong thực tế, Fe với C tồn tại ở 3 dạng hợp chất là FeC, Fe2C, Fe3C song xêmentít (Fe3C) ổn định về thành phần hóa học ở mọi nhiệt độ nhỏ hơn nhiệt độ nóng chảy nên dùng Fe3C làm cấu tử

Trên giản đồ, đường ABCD là đường lỏng

Đường AHJECF là đường đặc

Các tổ chức :

a Các tổ chức một pha

- Hợp kim lỏng (L): là dung dịch lỏng của cácbon trong sắt, tồn tại ở phía trên đường lỏng ABCD

- Xementit (ký hiệu là Xe hay Fe3C): là hợp chất hóa học của sắt với các bon

-Fe3C, ứng với đường thẳng đứng DFK

- Xementit thứ nhất (XeI): là loại kết tinh từ hợp kim lỏng, nó được tạo thành trong các hợp kim chứa nhiều hơn 4,3% và trong khoảng nhiệt độ (1147  1600)0C Do tạo nên từ pha lỏng và ở nhiệt độ cao nên XeI có tổ chức hạt to

- Xementit thứ hai (XeII): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Auxtenit ở trong khoảng nhiệt độ (727 1147) 0C khi độ hòa tan của cacbon ở trong pha này giảm

từ 2,14% xuống còn 0,8% do vậy XeII có trong hợp kim với thành phần các bon lớn hơn 0,8% Do tạo từ pha rắn và ở nhiệt độ không cao lắm nên XeII có tổ chức hạt nhỏ hơn, do được tiết ra từ Auxtenit nên thường ở dạng lưới bao quanh Auxtenit

- Xemetit thứ ba (XeIII): là loại được tiết ra từ dung dịch rắn Ferit ở trong khoảng nhiệt độ thấp hơn 7270C khi độ hòa tan giới hạn của cácbon trong Ferit giảm từ 0,02% xuống 0,006% XeIII có ở trong mọi hợp kim có thành phần C lớn hơn 0,006% nhưng với lượng rất ít Do tạo nên từ pha rắn và ở nhiệt độ thấp, khả năng khuếch tán của nguyên tử rất kém nên XeIII thường ở dạng mạng lưới hay hạt rất nhỏ bên cạnh Ferit

- Ferit (ký hiệu là F hay ): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon ở trong Fe( ), có  mạng lập phương thể tâm nên khả năng hòa tan của cacbon ở trong Fe( ) là không đáng kể, lớn nhất ở 7270C là 0,02% và nhỏ nhất ở nhiệt độ thường là 0,006%

- Auxtenit (kí hiệu là As hay ): là dung dịch rắn xen kẽ của cacbon trong Fe( ), 

có mạng lập phương diện tâm nên khả năng hòa tan cacbon của Fe( ) khá lớn, lớn nhất ở nhiệt độ 11470C với 2,14% và nhỏ nhất ở 7270C với 0,8%C

b Các tổ chức 2 pha

- Peclit (ký hiệu là P hay [ +Xe]): Peclit là hỗn hợp cơ học cùng tích của Ferit

và Xementit (+ Xe) tạo thành ở 7270C từ dung dịch rắn Auxtenit chứa 0,8%C Trong Peclit có 88% Ferit và 12% Xementit Từ giản đồ trạng thái Fe - C ta thấy trong quá trình làm nguội, thành phần cacbon của Auxtenit sẽ biến đổi và khi đến

7270C có 0,8%C (các hợp kim có lượng cacbon nhỏ hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết ra Ferit để làm tăng cacbon còn các hợp kim có lượng cacbon lớn hơn 0,8% thì thành phần Auxtenit biến đổi theo hướng tiết ra Xementit làm giảm cacbon, cả 2 trường hợp trên đều đưa đến lượng cacbon trong Auxtenit là 0,8% ở 7270C) Lúc đó, Auxtenit có 0,8% C sẽ chuyển biến thành hỗn hợp cùng tích của Ferit và Xementit:

Tùy theo hình dạng Xêmentit ở trong hỗn hợp, người ta chia ra 2 loại peclit là peclit tấm và peclit hạt (Peclit tấm Xe ở dạng tấm phiến còn Peclit hạt thì Xe ở dạng hạt) Peclit là hỗn hợp cơ học nên có tính chất trung gian Kết hợp giữa tính dẻo, dai của và cứng, dòn của Xe nên nói chung P có độ cứng, độ bền cao, tính dẻo dai thấp Tuy nhiên cơ tính của nó có thể thay đổi trong phạm vi khá rộng phụ thuộc vào độ hạt của Xe

- Ledeburit (ký hiệu là Le hoặc [ +Xe] hay [P+Xe]): Ledeburit là hỗn hợp cơ học cùng tinh, kết tính từ pha lỏng có nồng độ 4,3%C ở 11470C Lúc đầu mới tạo thành nó gồm  và Xe (trong khoảng 7270C  11470C) Khi làm nguội xuống dưới 7270C, chuyển biến thành P do vậy Lêdeburit là hỗn hợp cơ học của Peclit

và Xementit Như vậy cuối cùng Lêdeburit có 2 pha là và Xe trong đó Xe chiếm tỉ lệ gần 2/3 nên Leđeburit rất cứng và dòn

Câu 2 (4điểm)

Trình bày định nghĩa, mục đích và các phương pháp ủ thép?

Trả lời

a Định nghĩa và mục đích của ủ thép

* Định nghĩa: Ủ thép là phương pháp nung nóng thép đến nhiệt độ nhất định, giữ nhiệt rồi làm nguội chậm cùng với lò, để đạt được tổ chức ổn định theo giản đồ trạng thái với độ cứng thấp nhất và độ dẻo cao Tổ chức đạt được sau khi ủ thép là

P (có thể có thêm F hay XeII tuỳ loại thép trước hay sau cùng tích)

* Mục đích của ủ thép:

- Làm giảm độ cứng (làm mềm) thép để dễ tiến hành gia công cắt gọt

- Làm tăng độ dẻo dai để tiến hành rập, cán vào kéo thép ở trạng thái nguội

- Làm giảm hay làm mất ứng suất bên trong sau các nguyên công gia công cơ khí (mài, quấn nguội, cắt gọt )và đúc, hàn

- Làm đồng đều thành phần hoá học trên toàn tiết diện của vật đúc thép bị thiên tích

- Làm nhỏ hạt thép nếu nguyên công trước làm hạt lớn

- Tạo tổ chức ổn định chuẩn bị cho nhiệt luyện kết thúc

- Cầu hoá Xe để có tổ chức hạt khác với Xe ở dạng tấm

Với mục đích đa dạng như vậy thì không phương pháp ủ nào đạt được cả các mục tiêu trên Thông thường mỗi phương pháp ủ chỉ đạt được một hoặc vài trong

số các chỉ tiêu kể trên

* Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha:

Các phương pháp ủ không có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ thấp hơn Ac1, khi

đó không xảy ra chuyển biến P → γ

+ Ủ thấp (ủ non):

- Đị nh nghĩa: Ủ thấp là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ hơn Ac1 để không có chuyển biến pha xảy ra

- Mục đích và đặc: Ủ thấp có tác dụng làm giảm hay khử bỏ ứng suất bên trong

ở các vật đúc hay các sản phẩm thép qua gia công cơ khí

+) Nếu ủ ở nhiệt độ thấp (200 ÷ 3000C) chỉ có tác dụng làm giảm một phần ứng suất bên trong nhưng ở những nhiệt độ cao hơn (450 ÷ 6000C) tác dụng khử bỏ ứng suất bên trong có thể hoàn toàn hơn

+) Do làm nguội nhanh, không đều, do chuyển pha khi đúc, trong vật đúc tồn tại ứng suất bên trong Đối với một số vật đúc có yêu cầu đặc biệt không cho phép tồn tại ứng suất dư độ Để khử bỏ hoàn toàn ứng suất dư, người ta tiến hành nung nóng đến 450  600C, sau đó làm nguội chậm tiếp theo để tránh tạo lại ứng suất

dư Đối với trường hợp yêu cầu không cao, chỉ cần giảm ứng suất dư đến mức nhất định, có thể tiến hành bảo quản ở t0 thường trong khoảng 9 ÷ 12 tháng, quá trình này còn gọi là hoá già tự nhiên Do nhiệt độ ủ thấp nên phương pháp ủ này không làm thay đổi độ cứng và kích thước hạt

+ Ủ kết tinh lại:

- Định nghĩa: Ủ kết tinh lại là phương pháp ủ nung nóng thép tới nhiệt độ nhỏ hơn Ac1 để không có chuyển biến pha xảy ra

- Mục đích và đặc điểm: Ủ kết tinh lại được tiến hành cho các thép qua biến dạng nguội bị biến cứng cần khôi phục lại tính dẻo, độ cứng trước khi gia công cơ khí +) Nhiệt độ ủ kết tinh lại cho thép cacbon là từ 600 ÷ 7000C tức là thấp hơn nhiệt độ Ac1 Loại ủ này làm thay đổi được kích thước hạt và giảm độ cứng, nhưng rất ít áp dụng cho thép vì khó tránh tạo nên hạt lớn

+) Đối với kim loại đa tinh thể, do không đồng nhất về phương mang giữa các hạt nên ứng suất tác dụng và độ biến dạng phân bố không đều, phần thép bị biến dạng với mức độ tới hạn sau khi ủ có kích thước lớn, làm dòn thép Để tránh hiện tượng này, thường dùng các phương pháp ủ có chuyển biến pha

Các phương pháp ủ có chuyển biến pha:

Các phương pháp ủ có chuyển biến pha có nhiệt độ ủ cao hơn Ac1, khi đó có xảy ra chuyển biến P → γ

+ Ủ hoàn toàn: